Dónde se Realiza el Verdadero Trabajo en el Espacio

Los cohetes se llevan toda la gloria. Claro, son grandes y llamativos. Producen una cantidad impresionante de ruido y nubes ondulantes cuando despegan. Pero, una vez que están en el espacio, una vez que han empujado su carga útil más allá del tirón de la gravedad, es cuando los verdaderos profesionales toman el control.

Estamos hablando de actuadores de liberación . Sí, esos pequeños dispositivos mecánicos cuyas clavijas se mueven hacia adelante para lanzar esos CubeSats modernos desde el compartimiento de carga útil del cohete.

Puede que ahora mismo estés levantando una ceja escéptica, pero piénsalo: en el momento justo, un actuador hace clic y un CubeSat sale del cohete justo en el lugar donde se supone que debe estar. Otro actuador hace clic en el propio CubeSat, y el panel solar que alimentará ese pequeño satélite se despliega y florece como una flor, convirtiéndose en una superficie que capta la luz muchas veces más grande de lo que era cuando estaba plegado en la bahía de carga útil del cohete. Sin actuadores de liberación, esos satélites simplemente se quedarían dentro del cohete, lo que no sería bueno para nadie.

Entonces, aquí está la pregunta interesante: dado que el desempeño adecuado de un actuador de liberación es fundamental para el éxito de todo el plan de lanzamiento de un satélite, ¿cómo puede un equipo de ingeniería estar seguro de que los actuadores funcionarán correctamente cuando llegue el momento de estallar? Se puede construir un prototipo de un conjunto de antenas o solares desplegables, pero ¿cómo se puede validar que el diseño funcionará en un entorno donde no hay gravedad y donde la temperatura puede variar entre -100°C y +120°C?

Para resolver este tipo de problemas, los ingenieros de la empresa espacial alemana DCUBED confían en el software Ansys proporcionado por el socio de canal de élite alemán INNEO Solutions para simular el rendimiento de los actuadores de liberación de la empresa y otros componentes satelitales desplegables en el espacio, y obtener información crítica. necesario para optimizar y garantizar el rendimiento del producto sin abandonar el suelo. Como miembro del Ansys Startup Program , la empresa obtiene acceso al software de simulación multifísica de Ansys y a recursos de computación de alto rendimiento (HPC) a un precio asequible.

DCUBED es parte de la Nueva Iniciativa Espacial de la Asociación Federal de la Industria Alemana ( Bundesverband der Deutschen Industrie eV o BDI), cuyo objetivo es comercializar los viajes espaciales y conectarlos con la economía tradicional. Los primeros esfuerzos implican el despliegue de grandes constelaciones de satélites muy pequeños o “CubeSats” que trabajan juntos como una red para capturar y transmitir información. Estas constelaciones de satélites pueden llevar servicios de Internet a regiones remotas; proporcionar datos en tiempo real a vehículos autónomos; transmitir información sobre el clima y los cultivos a comunidades agrícolas distantes; y realizar muchas otras tareas para una amplia gama de industrias.

Pero llevar esos objetos al espacio es un desafío.

“No hay mucho espacio en un cohete”, dice Thomas Sinn, Ph.D., fundador y director ejecutivo de DCUBED, “por lo que las empresas que envían estructuras al espacio necesitan una forma de empaquetarlas de una manera muy compacta y luego expandirlas en estructuras más grandes”. en el espacio.”

Ahí es donde entran en juego los actuadores de liberación y las estructuras desplegables de DCUBED.

“Por ejemplo, al crear paneles solares”, explica Thomas Lund, jefe de análisis de DCUBED, “DCUBED adopta un enfoque modular. Un cliente puede decirnos la potencia, la corriente, el voltaje y el área a la que debe expandirse el conjunto. Puede indicarnos las zonas de exclusión y podemos continuar diseñando el conjunto utilizando nuestros actuadores disponibles en el mercado, analizarlo para garantizar que se desplegará y funcionará según lo esperado y lo entregaremos rápidamente para satisfacer las necesidades del cliente. necesidades.”

DCUBED utiliza Ansys Mechanical para proponer un diseño que cumpla con las especificaciones del cliente. Luego, para garantizar que la matriz se despliegue según lo previsto y proporcione las cualidades de absorción de radiación esperadas, confían en Ansys LS-DYNA , una herramienta de simulación diseñada para simular la respuesta de los materiales a períodos cortos de carga severa.

“LS-DYNA es el único solucionador que podría realizar simulaciones altamente no lineales que involucran muchos desplazamientos muy grandes, que es lo que necesitamos cuando observamos estructuras espaciales inflables”, dice Sinn. “Cuando comenzamos a trabajar en elementos desplegables después de desarrollar los actuadores de liberación, quedó claro que LS-DYNA sería la herramienta ideal para trabajar con los tipos de elementos desplegables que estábamos desarrollando”.

Diseñar un producto espacial desplegable para un cliente implica un poco de iteración creativa en DCUBED. El equipo sigue un proceso de concepción/diseño/iniciación/operación en el que los ingenieros conciben una solución para satisfacer las necesidades del cliente, proponen un diseño utilizando mecánica y luego prueban ese diseño según los criterios conceptuales.

“La mayoría de las veces, te toparás con el fracaso”, señala Lund, “así que vuelves al concepto y creas un nuevo diseño”. Finalmente, las pruebas de diseño cumplen con los criterios conceptuales y los ingenieros llevan el diseño al inicio (y aún más pruebas) para determinar si el diseño funcionará según lo previsto.

“Siempre creamos muchos prototipos rápidos de nuestros diseños utilizando impresoras 3D”, dice Lund, “pero nadie tiene el tiempo ni el dinero para producir cada concepto de diseño como un prototipo físico para probar. Incluso si pudiera, la verdadera prueba es si el diseño funcionará como se espera en el espacio. Es muy caro poner un prototipo en el espacio y simplemente no es posible conseguir las condiciones límite correctas cuando se trabaja con prototipos físicos en la Tierra, por lo que hay que utilizar el análisis”.

El equipo de DCUBED utiliza LS-DYNA para simular el rendimiento de un diseño en las condiciones que encontrará en el espacio. LS-DYNA proporciona la flexibilidad para realizar simulaciones tanto de estado estable como transitorias. La simulación en estado estacionario ayuda al equipo a comprender cómo se comportará un diseño en un momento específico, mientras que las simulaciones transitorias brindan información sobre el comportamiento del elemento desplegable a lo largo del tiempo en las diferentes condiciones que encontrarán el cohete y su carga útil.

Las simulaciones transitorias que facilita LS-DYNA son particularmente importantes porque permiten al equipo del Dr. Sinn considerar dónde podría estar un cohete en cualquier momento en relación con los vectores de la luz solar y la sombra de la Tierra. Si un actuador de liberación empuja un desplegable fuera del compartimiento de carga útil mientras el cohete está a la sombra de la Tierra, la temperatura del espacio puede ser de -100°C. Pero momentos después, cuando el desplegable sea impactado directamente por los rayos del sol, la temperatura puede subir a +120°C. Cuando una estructura encuentra estas temperaturas tan variables, se expandirá o contraerá dependiendo de los materiales involucrados. Esto tendrá implicaciones para la solidez estructural y el rendimiento mecánico.

Si se resta gravedad a la ecuación, la complejidad del entorno aumenta aún más. La Cooperación Europea para la Normalización Espacial (ECSS) y la Agencia Espacial Europea (ESA) han definido estándares para las condiciones ambientales en el espacio, y esos se pueden parametrizar en LS-DYNA, al igual que los detalles sobre los materiales utilizados en un actuador o estructura desplegable.

“El espacio realmente plantea un problema multifísico”, afirma Lund, “y es necesario trabajar con múltiples simulaciones simultáneamente para obtener los conocimientos que se buscan. Cuando combina solucionadores como lo hace Ansys en LS-DYNA, donde tiene tanto térmico como estructural en el mismo solucionador, obtiene una comprensión coherente de cómo se desempeñará un implementable en ese entorno complejo. Eso es una gran ventaja para nosotros”.

“Nos involucramos en esto porque amamos la industria espacial y los beneficios que el espacio ha brindado al mundo”, dice Sinn. “Queremos permitir más de eso. Para nosotros, se trata de ayudar a nuestros clientes a lograr sus objetivos. La simulación nos permite probar nuestros actuadores y elementos desplegables en una amplia gama de condiciones para que podamos entregar productos que funcionen de manera confiable dentro de una ventana de condiciones tan amplia como sea posible. Eso brinda a nuestros clientes la flexibilidad de implementar sus productos cuando y como quieran para alcanzar sus objetivos”.

Autor
Personal de Ansys Advantage

• Ansys Mechanical es el mejor solucionador de elementos finitos de su clase con capacidades estructurales, térmicas, acústicas, transitorias y no lineales para mejorar su modelado.

• Ansys LS-DYNA es el software de simulación explícita líder en la industria que se utiliza para aplicaciones como pruebas de caída, impacto y penetración, choques y colisiones, seguridad de los ocupantes y más.

• Ansys Startup Program brinda acceso completo al software de simulación multifísica de Ansys y a los recursos de computación de alto rendimiento (HPC) para brindar a las nuevas empresas el soporte que necesitan en un panorama competitivo.

“LS-DYNA es el único solucionador que podría realizar simulaciones altamente no lineales que involucran muchos desplazamientos muy grandes, que es lo que necesitamos cuando observamos estructuras espaciales inflables”.

— Thomas Sinn, Ph.D., fundador y director ejecutivo de DCUBED